JPH04112582A

JPH04112582A - アバランシェフォトダイオード

Info

Publication number: JPH04112582A
Application number: JP2232083A
Authority: JP
Inventors: Isao Watanabe; 功渡邊
Original assignee: NEC Corp
Current assignee: NEC Corp
Priority date: 1990-08-31
Filing date: 1990-08-31
Publication date: 1992-04-14

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】（産業上の利用分野）本発明は、高速・低雑音特性を有するアバランシェ・フ
ォトダイオード（ＡＰＤ）に関する。

（従来の技術）高速大容量光通信システムを構成するには、超高速かつ
、低雑音・高感度特性を有する半導体受光素子が不可欠
である。このため、近年シリカ系ファイバの低損失波長
域１．０〜１６６μｍに適応できるＩｎＰ／ＩｎＧａＡ
ｓ系アバランシェ・フォトダイオード（ＡＰＤ）の高速
化・高感度化に対する研究が活発となっている。このＩ
ｎＰ／ＩｎＧａＡｓ系ＡＰＤでは現在、小嚢光径化によ
る低容量化、層厚最適化によるキャリア走行時間の低減
、ペテロ界面への中間層導入によるキャリア・トラップ
の抑制により、利得帯域幅（ＧＢ）積７５ＧＨｚの高速
化が実現されている。しかしながら、この素子構造では
、アバランシェ増倍層であるＩｎＰのイオン化率比βｌ
αが〜２と小さいため（ａ＝電子のイオン化率、β：正
孔のイオン化率）、過剰雑音指数Ｘ（イオン化率比が小
さいほど大きくなる）が〜０，７と大きくなり、低雑音
化・高感度化には限界がある。これは、他のバルクのＩ
ＩＬＶ族化合物半導体をアバランシェ増倍層に用いた場
合も同様であり、低雑音化・高ＧＢ積化（高速応答特性
）を達成するにはイオン化率比。ψを人工的に増大させ
る必要がある。

そこで、カパッソ（Ｆ、　Ｃａｐａｓｓｏ）等はアプラ
イド・フィジフクス・レター（Ａｐｐ１、　Ｐｈｙｓ、
　Ｌｅｔｔ、）、４０（１）巻、ｐ、３８〜４０．１９
８２年で、超格子による伝導帯エネルキー不連続量ΔＥ
ｃを電子の衝突イオン化に利用してイオン化率比ａ／β
を人工的に増大させる構造を提案し、実際にＧａＡｓ／
ＧａＡｌＡｓ径超格子でイオン化率比αψの増大（バル
クＧａＡｓの〜２に対して超格子層で〜８）を確認した
。さらに、香川らは、アプライド・フィジフクス・レタ
ー（Ａｐｐｌ　Ｐｈｙｓ、　Ｌｅｔｔ、）、ｐ。

９９３−９９５．５５（１０）巻、１９８９年で、長距
離光通信に用イラレる波長１．０〜１．６□ｍ帯に受光
感度を有するＩｎＧａＡｓ／ＩｎＡｌＡｓ系超格子を用
いて同様の構造を形成し、やはりイオン化率比αψの増
大（バルクＩｎＧａＡｓの〜２に対して超格子層で〜１
０）を確認した。そのアバランシェ増倍層のバイアス印
加時のエネルギーバンド図を第５図に示す。４１はｎ−
型Ｉｎｏ　５□Ａ１ｏ４８Ａｓ障壁層、４２はｎ−型丁
ｎＯ，５３ＧａＯ，４７Ａｓ井戸層であり、層４１と４
２の繰り返しが超格子アバランシェ増倍層を構成してい
る。また、４３．４４はそれぞれ伝導帯不連続量ΔＥｃ
、価電子帯不連続量ΔＥｖである。また、４５．４６は
それぞれ電子と正孔である。この構造では伝導帯不連続
量ΔＥｃが０．５ｅＶと価電子帯不連続量△Ｅｖの０．
２ｅＶより大きく、井戸層に入ったときハンド不連続に
より獲得するエネルギーが電子の方が大きく、これによ
って電子がイオン化しきい値エネルギーに達しやすくす
ることで電子イオン化率を増大させ、イオン化率比α／
βの増大を図っている。

（発明が解決しようとする課題）しかしながら、この構造のアバランシェフォトダイオー
ドは、超格子アバランシェ増倍層内に多数ノバンド不連
続ΔＥｃ、ΔＥｖによるエネルギー障壁が存在し、特に
有効質量の大きい正孔に対する価電子帯不連続ΔＥｖに
よって、高増倍時に超格子中で発生した増倍キャリア（
主に正孔）がトラップされて２〜３Ｇｂ／ｓ以上の周波
数応答特性が劣化してしまうという欠点を有する。

第６図は従来の超格子アバランシェ増倍層のバンドエネ
ルギー図であり、ＣＩ、　Ｃ２，Ｃ４はそれぞれ第１種
、第２種、第４種半導体の伝導帯端であ’）　Ｖ１、　
Ｖ２゜■４はそれぞれの価電子帯端を示している。（そ
れぞれ左端をマイナスにバイアスする。）第６図（ａ）に示す従来構造のバンドエネルギー図では
、第１種半導体と第２種半導体の価電子帯端の不連続量
ΔＥｖが、波長１．０〜１．６ｐｍに感度を有する材料
系であるＩｎｏ、５２Ａ１ｏ、、５ａＡＳ、／Ｉｎｏ、
５３Ｇａｏ　４−ｔＡＳ超格子を例にとると０．２ｅＶ
であり、このエネルギー障壁が多数存在する超格子中を
、アバランシェ増倍により生成した正孔が走行するとき
にこの障壁にトラップされて応答速度が３ＧＨｚ程度以
下に劣化する。このような応答劣化を回避するには、第
６図（ｂ）のバンド図のように価電子帯不連続量を第１
種半導体と第２種半導体の中間の値となる（格子整合し
た）の第１種半導体と第２種半導体の混晶釦成の第４種
半導体層を挿入することが考えられる。しかし、このＩ
ｎｏ、５２ＡＩｏ、、ａｓＡＳ／Ｉｎ、ｏ　５３Ｇａｏ
、４−ｔＡＳ系では、このような価電子帯不連続量△Ｅ
ｖＯ，１ｅＶとなるＩｎＡｌＧａＡｓでは伝導帯不連続
量が０．２８ｅＶと小さくなってしまうので、伝導帯不
連続量が大きいほど電子の選択的イオン化に有利となる
超格子アバランシェ増倍層には用いることができない。

そこで、本発明は、波長１．０〜１．６□ｍ帯に受光感
度を有し、高イオン化率比αψで低雑音と同時に高速応
答特性のアバランシェ・フォトダイオードを実現するこ
とを目的とする。

（課題を解決するための手段）本発明のアバランシェフォトダイオードは、印加電界の
向きに順に障壁層（第１半導体層）、井戸層（第２半導
体層）、第３半導体層のくり返された半導体層を半導体
超格子層の少なくとも一部に有し、該半導体超格子層を
アバランシェ増倍層とし、前記第１、第２、及び第３の
半導体層が下記の条件（１）を満たすことを特徴とする
特その条件（１）は第１半導体層である障壁層の電子親和
力をχ１、禁制帯幅をＥｇ１、第２半導体層である井戸
層の電子親和力をχ２、禁制帯幅をＥｇ２、第３半導体
層の電子親和力をχ３、禁制帯幅をＥｇ３としたとき、 χ２＞χｌ＞χ３かつ、 χ１＋Ｅｇ１＞χ３＋Ｅｇ３＞χ２十Ｅｇ２を満たすこ
とである。

（作用）第２図に本発明のアバランシェフォトダイオードの超格
子増倍層のバンド図を示す。本発明は、上記のような伝
導帯不連続量の大きな低下をもたらすことなしに価電子
帯不連続量を小さくできる。

この理由を第２図と第３図を用いて説明する。

第３図に示すＩｎＯ，５３ＧａＯ，４□Ａｓに格子定数
をあわせた時（すなわち、ＩｎＰにも格子定数があって
いる時）のＧａ１−ｘＡｌｘＡｓｌ−ＹＳｂＹのＩｎｏ
　５３Ｇａｏ、４７ＡＳに対する伝導帯端Ｃ１価電子帯
端ＶのＡ１組成比Ｘ依存性の図をみると、Ｇａ１−ｘＡ
ＩＸＡｓｌ−ＹＳｂＹはそのＡ１組成比Ｘが０．４８以
上０．９２以下の時、本発明の条件式（１）を満たす。

そして、Ｘ＝０．７では、価電子帯不連続ΔＥｖがちょ
うどＩｎｏ　５３Ｇａｏ、４７ＡＳとＩｎｏ、５２Ａ１
ｏ、４ｓＡＳの０．２ｅＶの中間の値０．１ｅＶとなる
。この様な半導体層（第３種半導体）を超格子井戸層（
第２種半導体）の正孔の出口側（第２図参照、バイアス
は左側をマイナスとする。）に設けると、正孔のへテロ
障壁へのトラップを抑制する効果をもたす。

一方、伝導帯端Ｃは、Ａ１組成の増加とともに上昇し、
組成Ｘ＝０．７の時にはその伝導体不連続量ΔＥｃが０
．７７ｅＶとなる。本発明の構造では、第２図からもわ
かるように、この半導体層は電子に対しては井戸層への
入り口側に配置されることになり、伝導帯不連続量ΔＥ
ｃが大きいほど電子の選択的イオン化に有利な超格子ア
バランシェ増倍層と適しているといえる。従来の障壁材
料Ｉｎｏ　５゜Ａｌｏ　４ｓＡｓとこの半導体との伝導
体不連続量ΔＥｃは０．２７ｅＶと比較的小さく、この
障壁が電子の移動を妨げることはない。また、たとえ、
この伝導体不連続量△Ｅｃが大きい場合でも、その第３
種半導体層を７０〜１００人程度と薄計速れば、有効質
量の小さい電子はこの層をトンネル効果によって透過す
ることができるので、応答特性に問題は生じない。

さらに、電子の井戸層からの出口側の伝導体不連続ΔＥ
ｃはＩｎｏ、５２Ａ１ｏ　４ｓＡＳ／Ｉｎｏ　５３Ｇａ
ｏ、４７ＡＳ系の値のままであるため、従来例（第６図
（ａ））と同様、電子がこのエネルギー障壁にトラップ
されて周波数応答が劣化することはない。

この本発明の第３種半導体層の層厚は、従来例の価電子
帯不連続ΔＥｖを緩和するためにその層中でドリフトに
より正孔のエネルギー分布が定常値に達するような値、
すなわち１００人程計速最低限必要である。この値は前
述の、電子についてのトンネル効果が得られる構造と矛
盾しない。

以上の効果により、本発明の構造により伝導帯不連続の
低下による電子イオン化率増大効果を損なうことなしに
、正孔の価電子帯障壁によるトラップ・応答速度劣化を
回避できる。こうして波長１．０〜１．６μｍ帯に受光
感度を有し、イオン化率比。ψ改善による低雑音特性と
高速応答特性を同時にみたす、アバランシェ・フォトダ
イ−オードが実現できる。

（実施例）以下、本発明の実施例として、ＩｎＰに格子整合する■
ｎｏ５□Ａｌｏ４８Ａｓ／Ｇａ１−ｘＡＩＸＡｓｌ−８
Ｓｂ／Ｉｎｏ５３Ｇａｏ４゜Ａｓ系超格子アバランシェ
・フォトダイオードを用いて説明する。

第１図、第２図に示す本発明であるアバランシェフォト
ダイオードを以下の工程によって製作した。

計型ＩｎＰ基板１上に、ｎ型ＩｎＰバッファ層２を１μ
ｍ厚に、キャリア濃度〜ＩＸ１イ５ｃｍ−３のｎ−型の
、Ｉｎｏ、５２Ａ１ｏ　４ｓＡＳ４　、Ｉｎｏ　５３Ｇ
ａｏ、４−ｒＡＳ５　、ＧａｘＡ１□ｘＡＳ１ｙＳｂＹ
６、のくり返し構造からなる超格子層３を１，２□ｍ厚
に、キャリア濃度〜Ｉ　Ｘ　１０１７ｃｍ−３のｐ＋型
Ｉｎｏ、５２Ａ１ｏ、４ｓＡｓ電界降下層７を０．２．
４ｚｍ、キャリア濃度〜２刈０１５ｃｍ−３のｐ−型Ｉ
ｎｏ　５ａＧａｏ、４−ｔＡＳ光吸収層８を〜１．７．
ｚｍ厚に、キャリア濃度〜５Ｘ１０１８ｃｍ−３のｐ＋
型ＩｎＰキャップ層９を１μｍ厚に順次、有機金属気相
成長法（ＭＯＶＰＥ）を用いて成長する。この超格子層
は、厚さ２００人のＩｎｏ５３Ｇａｏ４□ＡＳ４と、厚
す１００人のＧａＸＡ１１−ｘＡｓｌ−ＹＳｂＹ（Ｘ＝
０．７）５、厚さ３００人の■ｎＯ，５２Ａ１ｏ４８Ａ
ｓ５を交互に２０周期積層した構造である。

ＧａＸＡ１１−ＸＡｓ１−ＹＳｂＹの組成Ｘは、正孔の
へテロ界面へのトラップを抑制するために、第３図に示
すＩｎ０．５３０ａ０．４７Ａｓに格子定数をあわせた
時（すなわち、ＩｎＰにも格子定数があっている時）の
Ｇａ１−ｘＡＩＸＡｓｌ−ＹＳｂＹのＩｎｏ　５３Ｇａ
ｏ、４７ＡＳに対する伝導帯端Ｃ１価電子帯端ＶのＡ１
組成比Ｘ依存性の図より、価電子帯不連続量ΔＥｖがＩ
ｎｏ、５３Ｇａｏ、４７ＡＳとＩｎｏ５゜Ａｌｏ４８Ａ
ｓの０．２ｅＶの中間の値となる組成領域により決定し
た。

次に、通常のフォトリソグラフィーとウェットエツチン
グの技術を用いて直径５０１１ｍの円形メサを形成し、
絶縁保護膜１．２を形成する。ｐ側電極１１をＡｕＺｎ
で形成した後、裏面研磨を行ってからｎ側電極１０をＡ
ｕＧｅで形成した。こうして第一の実施例の素子が完成
した。

この実施例の構造では、電子のイオン化率はバルク■ｎ
Ｏ，５３ＧａＯ，４゜Ａｓの約１．５倍程度に増大した
のに対して、正孔のイオン化率はバルクＩｎＧａＡｓの
約１７３〜１１５倍程度に小さくなり、イオン化率比は
〜１０程度とバルクＩｎＧａＡｓの２に比較して増大さ
れ、過剰雑音指数も〜０．３と低雑音化がなされた。し
かも、周波数応答特性は、本発明のＧａ１−ｘＡｌｘＡ
Ｓｌ−ＹＳｂＹ層がない以外は本実施例と同一の超格子
層を用いた構造の従来例と比較した場合、波長１．５５
／１ｍ入射時の増倍率が１０の時、従来例では正孔の超
格子へテロ障壁へのトラップで３ｄＢ劣化帯域が３ＧＨ
ｚ程度と／ｊ轄いのに対して（増倍率が１．５程度の時
は従来例、本実施例ともに３ｄＢ劣化帯域は７ＧＨｚ程
度であった）、本発明の構造では７ＧＨｚ程度を維持し
応答速度の顕著な劣化は見られなかった。

本発明の第２の実施例として、ＩｎＰに格子整合するＩ
ｎｏ、５２Ａ１ｏ、４８ＡＳ／Ｇａ　ｔ　−ｘＡｌｘＡ
Ｓｌ−ＹＳｂｙ／Ｉｎｏ　５３Ｇａｏ、、１７ＡＳ系超
格子アバランシエ・フォトダイオードについて説明する
。

第４図に示す本発明の第２の実施例であるアバランシェ
フォトダイオードを以下の工程によって製作した。

ｐ＋型ＩｎＰ基板３１上に、ｐ＋型ＩｎＰがソファ層３
２を１／、ｍ厚に、キャリア濃度〜２刈い”ｃｍ−３の
ｐ−型Ｉｎｏ５３Ｇａｏ、＜？Ａｓ光吸収層８を〜Ｌ７
ｐｍ厚に、キャリア濃度〜１刈０１７ｃｍ−３のｐ＋型
■ｎＯ，５２Ａ１０．４８””電界降下層７を０．２μ
ｍ、キャリア濃度〜１刈い”ｃｍ−３のｎ−型工ｎ。５
□Ａ１ｏ４８Ａｓ４／ＧａｘＡ１１−ｘＡｓｌ−ＹＳｂ
Ｙ６１Ｉｎｏ５３Ｇａｏ４゜Ａｓ５よりなる超格子層３
を１．２□ｍ厚に、キャリア濃度〜５刈１８ｃｍ”’の
ｎ＋型１ｎＰキャ７プ層３３を１μｍ厚に順次、有機金
属気相成長法（ＭＯＶＰＥ）を用いて成長する。この超
格子層は、厚さ３００人のＩｎｏ、５２Ａ１ｏ、４ｓＡ
ｓ４、厚さ１００人のＧａｘＡｌｌ−ｘＡＳｌ−ＹＳｂ
Ｙ（Ｘ＝０．７）６、厚さ２００人のＩｎｏ　５ｓＧａ
ｏ、４７Ａｓ５を交互に２０周期積層した構造である。

ＧａｘＡｌｌ−ＸＡｓ１−ＹＳｂＹの組成Ｘは、第１の
実施例と同様の理由により決定した。

次に、通常のフォトリソグラフィーとウェットエツチン
グの技術を用いて直径５０μｍの円形メサを形成し、絶
縁保護膜１２を基板表面に形成する。ｎ側電極１０をＡ
ｕＧｅで形成した後、裏面研磨を行ってから、無反射膜
として絶縁保護膜１２を基板裏面のメサ部に直径１５０
μｍｌの円形にフォトリソグラフィの方法で形成後、ｐ
型電極１１をＡｕ、　Ｚｎで形成した。

本実施例では、入射光３４は基板裏面から入射する構造
となっている。

この第２の実施例のアバランシェフォトダイオドでも増
倍率が１０の時、高速応答特性が７ＧＨｚ程度であり、
従来例に比べ２倍以上の応答特性改善ができた。

（発明の効果）本発明によれば、波長１．０〜１．６μｍ帝に受光感度
を有し、高イオン化率比ａ／βで低雑音と同時に高速応
答特性のアバランシェ・フォトダイオードを実現するこ
とができ、その効果は大きい。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明のアバランシェフォトダイオードの一
実施例の構造断面図である。第２図は本発明の超格子アバランシェ増倍層のエネルギ
ーバンド図である。（左端をマイナスにバイアスする）
。第３図は、Ｉｎｏ、５３Ｇａｏ　４□ＡＳ及びＩｎＰに
格子定数をあわせた時のＧａ１−ｘＡｌｘＡｓｌ−ＹＳ
ｂＹのＩｎｏ　５３Ｇａｏ　４−ｔＡＳに対する伝導帯
端Ｃ１価電子帯端ＶのＡ１組成比Ｘ依存性を示す図。第４図は本発明の第２の実施例のアバランシェフォトダ
イオードの構造断面図である。第５図は、従来例の超格子アバランシェ増倍層のバイア
ス印加時のエネルギーバンド図である。第６図は従来例の超格子アバランシェ増倍層のエネルギ
ーバンド図である。各図において１・・・ｎ＋型半導体基板、２・・・ｎ型バッファ層、
３・・・ｎ−型超格子アバランシェ増倍層、４・・・第
１種半導体層、５・・・第２種半導体層、６・・・第３
種半導体層、７・・・ｐ＋型ワイドギャップ電界降下層、８・・・ｐ
−型光吸収層、９・・・ｐ＋型キャップ層、１０・・・
ｎ側電極、１１・・・ｐ側電極、１２・・・絶縁保護膜
、２１．４５・・・電子、２２．４６・・・正孔、４１
・・・障壁層、４２・・・井戸層、４３・・・伝導帯不
連続量ΔＥｃ、４４１．・価電子帯不連続量ΔＥｖ、

Claims

【特許請求の範囲】印加電界の向きに順に障壁層（第１半導体層）、井戸層
（第２半導体層）、第３半導体層のくり返された半導体
層を半導体超格子層の少なくとも一部に有し、該半導体
超格子層をアバランシェ増倍層とし、前記第１、第２、
及び第３の半導体層が下記の条件（１）を満たすことを
特徴とするアバランシェフオトダイオード。条件（１）第１半導体層である障壁層の電子親和力をχ＿１、禁制
帯幅をＥｇ＿１、第２半導体層である井戸層の電子親和
力をχ＿２、禁制帯幅をＥｇ＿２、第３半導体層の電子
親和力をχ＿３、禁制帯幅をＥｇ＿３としたとき、χ＿
２＞χ＿１＞χ＿３かつ、 χ＿１＋Ｅｇ＿１＞χ＿３＋Ｅｇ＿３＞χ＿２＋Ｅｇ＿
２を満たすこと。